第一篇+工程材料1

1、贵州大学机械工程学院贵州大学机械工程学院陈之奇陈之奇及其成型技术基础及其成型技术基础工程材料及其成形技术基础课程的性质和任务工程材料及其成形技术基础课程的性质和任务l课程性质：课程性质：是机械类和近机类各专业的技术基础课是机械类和近机类各专业的技术基础课l课程要求：课程要求：初步具备合理选材、正确确定加工方法、初步具备合理选材、正确确定加工方法、妥善安排工艺路线的能力。妥善安排工艺路线的能力。 A A、了解掌握化学成分、组织结构、加工工艺与、了解掌握化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系：性能之间的关系：Steel with 0.4%C B B、掌握各类材料改性的方法及应用。、掌握各类材

2、料改性的方法及应用。 C C、掌握各类材料的特点及应用。、掌握各类材料的特点及应用。 D D、了解各种材料成形原理的特点。、了解各种材料成形原理的特点。 化学成分化学成分(成分成分)：组成材料各元素在材料中的组成材料各元素在材料中的浓度。浓度。 组织：组织：用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜所观察到的金属内部的情景。所观察到的金属内部的情景。l习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织称低倍组织称低倍组织或或宏观组织宏观组织。l放大放大100 2000倍的组织称倍的组织称高倍组织高倍组织或或显微组织显微组织。l在电子显微镜

3、下放大几千在电子显微镜下放大几千 几十万倍的组织称几十万倍的组织称精细组织精细组织或或电镜组织电镜组织。钢锭的宏观组织钢锭的宏观组织显微组织显微组织电镜组织电镜组织 结构：结构：材料中各原材料中各原子的具体组合状态。子的具体组合状态。一般通过一般通过X-射线衍射线衍射射或或透射电镜透射电镜研究。研究。Al的高分辨透射电镜象的高分辨透射电镜象纯铁晶体的纯铁晶体的X-射线衍射谱射线衍射谱 课程特点：课程特点：基本概念多，与实际联系紧密，是一基本概念多，与实际联系紧密，是一门应用科学。门应用科学。l成绩评定方法：成绩评定方法：平时考勤及课堂成绩占平时考勤及课堂成绩占5% 20% ，课程结束时的期末考

4、试成绩占，课程结束时的期末考试成绩占80% 95%。l答疑安排：答疑安排：待定待定(协商协商)l每节课均会点名，三分之一旷课，取消考试资每节课均会点名，三分之一旷课，取消考试资格！格！l一、材料和材料科学一、材料和材料科学l二、工程材料的分类二、工程材料的分类l三、工程材料的应用和发展三、工程材料的应用和发展l一、材料和材料科学一、材料和材料科学l1、材料、材料材料是指人类用以制造材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。各种有用器件的物质。材料是人类生产和生活材料是人类生产和生活所必须的物质基础。所必须的物质基础。手手锤锤锉刀锉刀国产涡喷国产涡喷-7涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机石器石器铁器铁器

5、 象形尊象形尊( (西周西周) )l石器时代石器时代l青铜器时代青铜器时代l铁器时代铁器时代由于材料的重要性，由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。的标志。材料的发展与人类社会简图材料的发展与人类社会简图龙芯龙芯联想计算机联想计算机l没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术。的计算机技术。没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇航工

6、业。空工业和宇航工业。在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片飞机发动机叶片飞机发动机叶片波音客机波音客机二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱之一。称作现代文明的三大支柱之一。l前苏联在前苏联在1957年把第一颗人造卫星送入太空，令美国年把第一颗人造卫星送入太空，令美国人震惊不已，认识到在导弹火箭技术上落后了。因此人震惊不已，认识到在导弹火箭技术上落后了。因此在其后的十年里，在其后的十年里，在十多所大学中陆续建立了材料科在十多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约学研究中心，并把约2/3大学的冶金

7、系或矿冶系改建成大学的冶金系或矿冶系改建成了冶金材料科学系或材料科学与工程系。了冶金材料科学系或材料科学与工程系。其涉及的材其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。可见，料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。可见，高技术需要先进材料的支持。高技术需要先进材料的支持。 中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献。过重大贡献。l早在公元前早在公元前6000 5000年的新石器时代，年的新石器时代，中华民族的先人就能中华民族的先人就能用黏土烧制成陶器，用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现了到东汉时期又出现了瓷器，并流传海外。瓷器，并流传海

8、外。 4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。司母戊鼎司母戊鼎河南安阳晚商遗址出土河南安阳晚商遗址出土青铜铸造青铜铸造高高133厘米厘米 重重875kg饰纹优美饰纹优美春秋晚期越国青铜兵器春秋晚期越国青铜兵器出土于湖北江陵楚墓出土于湖北江陵楚墓 长长55.7厘米厘米 剑锷锋芒犀利剑锷锋芒犀利锋能割断头发锋能割断头发 春秋战国时代的春秋战国时代的青铜剑，剑身及青铜剑，剑身及剑锋由不同成分剑锋由不同成分的青铜组成，是的青铜组成，是复合材料很好的复合材料很好

9、的例子例子梯度材料古已有之梯度材料古已有之这是古代剑刃截面图这是古代剑刃截面图l黄石铜矿遗址黄石铜矿遗址l春秋晚期春秋晚期l矿井深达矿井深达50m50ml炼铜炉渣多达炼铜炉渣多达4040万吨万吨l实属罕见实属罕见 我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星在家宋应星在天工开物天工开物一书中就记载了古代的渗碳一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国在金属材料及热处在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就。理方面就已经有了较高的成就。生铁炒熟铁图生铁炒熟铁图宋应星

10、宋应星鞍钢攀钢夜景新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地。钢产量由型钢铁基地。钢产量由49年的年的15.8万吨上升到现在的万吨上升到现在的一亿吨。一亿吨。 中国第一颗人中国第一颗人造卫星造卫星长征火箭大家族长征火箭大家族中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸原子弹、氢原子弹、氢弹的爆炸，弹的爆炸，卫星、飞船卫星、飞船的上天等都的上天等都说明了我国说明了我国在材料的开在材料的开发、研究及发、研究及应用等方面应用等方面有了飞跃的有了飞跃的发展。发展。 “神舟二号神舟二号”飞船运往飞船运往发射工位发

11、射工位 “神舟神舟”一号飞船一号飞船 “神舟神舟”一号一号发射成功发射成功“神舟神舟”二号发射成二号发射成功功“神舟神舟”三号三号发射成功发射成功“神舟神舟”四号四号发射成功发射成功“神舟神舟”三号飞船三号飞船 “神舟神舟”四号飞船四号飞船 杨利伟杨利伟升空返回全人类共同的家园飞天返回舱l18631863年，光学显微镜首次应用年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。观组织联系起来。灰铸铁的显微组织灰铸铁的显微组织光学显微镜光学显微镜Pb-Sn共晶组织共晶组织人类对材料的认识是逐步深入的

12、。人类对材料的认识是逐步深入的。Si表面的重构图象表面的重构图象X-射线衍射仪射线衍射仪1932年发明了电子年发明了电子显微镜，把人们带显微镜，把人们带到了微观世界的更到了微观世界的更深层次（深层次（10-7m）透射电子显微镜透射电子显微镜 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 光镜下光镜下电镜下电镜下l1934年位错理论的提年位错理论的提出，解决了晶体理论出，解决了晶体理论计算强度与实验测得计算强度与实验测得的实际强度之间存在的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的对于人们认识材料的力学性能及设计高强力学性能及设计高强度材料具有划时代的度材料具有划时代的意义。意义。

13、金属钛中的位错金属钛中的位错l主要研究内容：主要研究内容：l 研究材料的化学组成、结构与性能的关系；研究材料的化学组成、结构与性能的关系；l 研究材料的形成机理和制取方法；研究材料的形成机理和制取方法；l 研究材料物理性能的测试方法和技术；研究材料物理性能的测试方法和技术；l 分析材料的损坏机理；分析材料的损坏机理；l 研究材料的合理加工方法和最佳使用方案研究材料的合理加工方法和最佳使用方案l材料科学是以材料为材料科学是以材料为研究对象的一门科学。研究对象的一门科学。挑战者号爆炸瞬间挑战者号爆炸瞬间l工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能

14、的结构材料。要要求力学性能的结构材料。l按组成与结合键分：按组成与结合键分： l 1、金属材料、金属材料l 2、高分子材料、高分子材料l 3、陶瓷材料、陶瓷材料l 4、复合材料、复合材料l以金属键结合为主以金属键结合为主 l良好的导电性、导良好的导电性、导热性、延展性和金热性、延展性和金属光泽属光泽 l用量最大、应用最用量最大、应用最广泛广泛黑色金属黑色金属有色金属有色金属轻金属轻金属, ,重金属重金属, ,贵金属贵金属, ,稀有金属稀有金属 铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达年产量已达10亿吨，在机械产品中的用量已占整亿吨，在机械产

15、品中的用量已占整个用材的个用材的60%以上。以上。带材带材异形材异形材板材板材管材管材陶瓷材料陶瓷材料l以共价键和离子键以共价键和离子键为主为主l熔点高、硬度高、熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大耐腐蚀、脆性大 l分为传统陶瓷、特分为传统陶瓷、特种陶瓷种陶瓷传统陶瓷传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料又称普通陶瓷，是以天然材料( (如黏土、石如黏土、石英、长石等英、长石等) )为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。特种陶瓷特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。陶瓷，常用作工程上的

16、耐热、耐蚀、耐磨零件。陶瓷制品陶瓷制品陶瓷发动机陶瓷发动机l以分子键和共价键以分子键和共价键为主为主l塑性、耐蚀性、电塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，绝缘性、减振性好，密度小密度小 l包括塑料、橡胶及包括塑料、橡胶及合成纤维、胶粘剂合成纤维、胶粘剂分子键分子键共价键共价键高分子材料高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。中被广泛应用。 烯丙酰氯烯丙酰氯- -苯乙烯苯乙烯l包括：包括：l金属基复合材料金属基复合材料l陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料l高分子复合

17、材料高分子复合材料 l是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。玻璃纤维增强高分子复合材料玻璃纤维增强高分子复合材料航空发动机航空发动机l现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通过粉末现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的氧化物粒子弥散强化的镍基合金复合材冶金法制备的氧化物粒子弥散强化的镍基合金复合材料。很多高级游艇、赛艇及体育器械等是由碳纤维复料。很多高级游艇、赛艇及体育器械等是由碳纤维复合材料制成的，它们具有重量轻，弹性好，强度高等合材料制成的，

18、它们具有重量轻，弹性好，强度高等优点。优点。 三、工程材料的应用和发展三、工程材料的应用和发展随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要求越来越苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性、求越来越苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。 国产东风国产东风4D-0088内燃机车内燃机车美国美国F-117隐身飞机隐身飞机新材料在不断地涌现。新材料在不断地涌现。机械工业是材料应用的重要领域。机械工业是材料应用的重要领域。l随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。随着机械

19、工业的发展，对产品的要求越来越高。 l在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料及材料加工方面的问题。及材料加工方面的问题。 铸造一级涡轮盘铸造一级涡轮盘零部件所受的各种负荷：零部件所受的各种负荷： 1、力学负荷、力学负荷 2、热负荷、热负荷 3、环境介质的作用、环境介质的作用神舟一号飞船使用性能：使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。材料在使用过程中所表现的性能。 力学性能、物理性能力学性能、物理性能和和化学性能。化学性能。工艺性能：工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。材料在加工过程中所表现的性能。 铸造、锻压、焊接、热处理铸造、锻压、焊接

20、、热处理和和切削性能等切削性能等。l材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为为变形变形。l外力去处后能够恢复的变形称为外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形弹性变形。l外力去处后不能恢复的变形称为外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形塑性变形。 五万吨水压机五万吨水压机低碳钢的应力低碳钢的应力- -应变曲线应变曲线拉伸试样拉伸试样拉伸试验机拉伸试验机应力应力 = P/F0应变应变 = (l-l0)/l0l弹性：弹性：指标为弹性极限指标为弹性极限 e e，即即材料承受最大弹性变形时材料承受最大弹性变形时的应力。的应力。l刚度：刚度：材料受力时抵抗弹性材料

21、受力时抵抗弹性变形的能力。变形的能力。指标为弹性模指标为弹性模量量E E。 ）（MPatgE e弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。只有只有通过通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。 l强度：强度：材料在外力作用下材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。抵抗变形和破坏的能力。 屈服强度屈服强度 s：材料发生微量材料发生微量

22、塑性变形时的应力值。塑性变形时的应力值。 条件屈服强度条件屈服强度 0.2：残余变残余变形量为形量为0.2%时的应力值。时的应力值。 抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂前所材料断裂前所承受的最大应力值。承受的最大应力值。s0.2 伸长率：伸长率：%100001 lll %100010 FFF 断面收缩率：断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象l说明：说明：l 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。实变形。l 直径直径d0 相同时，相同时，l0 ， 。只有当。只有当l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。为常数时，塑性值才有可比性。l当当l0=10d

23、0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示；l当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示。显然表示。显然 5 l 时，无颈缩，为脆性材料表征时，无颈缩，为脆性材料表征 时，有颈缩，为塑性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征l是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。l指标为冲击韧性值指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得通过冲击实验测得)。l材料的冲击韧性随温材料的冲击韧性随温度下降而下降。度下降而下降。在某在某一温度范围内冲击韧一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象性值急剧下降的现象称称韧脆转变韧脆转变。发生韧发生韧脆转变的温度范围称脆转变的温度范围

24、称韧脆转变韧脆转变温度温度。材料材料的使用温度应高于韧的使用温度应高于韧脆转变温度。脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立变温度，而大多数面心立方金属没有。方金属没有。TITANIC建造中的建造中的Titanic 号号TITANIC的沉没的沉没与船体材料的质量与船体材料的质量直接有关直接有关Titanic 号钢板号钢板（左图）（左图）和和近代船用钢板近代船用钢板（右图）（右图）的冲击试验结果的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板l材料在低于材料在低于 s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。的重复交变应力作用下发生断裂的现象。l材料在规定次

25、数应力循环后仍不发生断裂时的最大应材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为力称为疲劳极限疲劳极限。用。用 -1表示。表示。l钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108。疲劳应力示意图疲劳应力示意图疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图通过通过改善材料的形状结构改善材料的形状结构，减少表面缺陷减少表面缺陷，提高表面提高表面光洁度光洁度，进行表面强化进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳辉纹（扫描电镜照片）五、硬度五、硬度l材料抵抗表面局部塑性变形的能力。材料抵抗表面局部塑性变形的

26、能力。l布氏硬度布氏硬度HBHB)(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度计布氏硬度计l压头为钢球时压头为钢球时，布氏硬度用符号，布氏硬度用符号HBS表示，适用于表示，适用于布氏硬度值在布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。l压头为硬质合金球时压头为硬质合金球时，用符号，用符号HBW表示，适用于布表示，适用于布氏硬度在氏硬度在650以下的材料。以下的材料。l符号符号HBS或或HBW之前的数字表示之前的数字表示硬度值硬度值, 符号后面的数字按顺序分符号后面的数字按顺序分别表示球体直径别表示球体直径、载荷及载荷保载荷及载荷保持时间。持时间。如如 120HBS10/1000/30 表表 示直

27、径为示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷）载荷作用下保持作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。布氏硬度压痕布氏硬度压痕l布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。l缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。还硬的材料。l适于测量适于测量退火、正火、调质钢退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。l材料的材料的 b与与HB之间的经验关系：之间的经验关系： 对于低碳钢对于低碳钢: b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢： b(MPa)3.4HB 对于铸铁：对于铸铁： b(MPa)1HB或或 b(MPa) 0.6(HB-40)HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁洛氏硬度洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计l洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002l